车辆电磁兼容基础：动力设备必须可靠接零和接地

1.安全地

安全接地的目的是为了使设备与大地之间有一条低阻抗的电流通路，以保证人身安全和设备的安全，而接地是否有效主要取决于接地电阻，阻值越小越好，接地电阻的大小与接地装置及环境条件等因素有关。

在图5-26a中，Z₁是电位等于U₁的点与机架之间的分布阻抗，Z₂是机架与地之间的分布阻抗。所以机架的电位可以表示为

图5-26 机架的两种安全接地方式

机架可能具有相对高的电位并有产生电击的危险，还有可能导致绝缘击穿，这是因为它的电位是由分布阻抗的相对值决定的，设计人员很难对它进行控制。但如果机架是接地的，则这时的阻抗Z₂变为0，所以机架的电位就等于0。

图5-26b显示了机架不接地的另一种情形：装有熔丝的交流电源线进入一个机壳。这类情况更加危险，一旦线缆某处的绝缘层击穿，使交流线与机架接触，机架将会具有传输与熔丝熔断电流相同电流的能力。任何与机架和地同时接触的人体都相当于直接与交流电源线连接。但如果机架接地，绝缘击穿将使电流直接接地并使熔丝瞬间熔断，进而保护人身安全。

一般用电设备在使用中会由于绝缘老化、磨损、浸水和潮湿等原因，导致带电导线或部件与机壳之间漏电，或者由于设备超负荷引起严重发热损坏绝缘造成漏电，从而引起伤害。我国规定动力电气设备（如电动机等），通常由380/220V三相四线制电网供电。设备的金属外壳除正常接地之外还应与电网零线相连接，称之为接零保护。接零保护的应用很广，如配电箱、电缆线金属外皮或穿引金属管、机房的配电柜等。凡采用三相四线制供电的动力设备均须同时可靠接零和接地。

另外，接地还能为雷击电流提供一条泄放路径，当设施或设备中装有浪涌抑制器时，接地是必须的，否则无法泄放浪涌能量。这时，不仅要接地，而且还要“接好地”，也就是说，接地的阻抗还必须很低。对于许多静电敏感的场合，接地还是泄放电荷的主要手段。

2.信号地

与其说信号地是电路中的电位参考点，为系统中的所有电路提供一个电位基准，不如说信号地是信号流回源的低阻抗路径。因为这样突出了电流的流动，突出了信号地的功能，更易于后面的理解。设备正常工作时信号电流都需要经过地线形成回路，接地的目的之一就是使流经地线的各电路电流互不影响，或使其影响得到抑制。

有一个问题必须弄清楚，理想的信号地是不存在的，也就是说任何信号地都不可能是零电位、零阻抗的物理实体。事实上，信号地的阻抗往往会产生许多让人意想不到的问题，给有用信号带来不期望的干扰。欧姆定律指出，电流流过一个电阻时，就要在电阻上产生电压。如果用一根导体做地线，设计不当的地线的阻抗会相当大，当地线电流流过地线时，就会在地线上产生电压。在设计电路时，往往将地线作为所有电路的公共地线，因此地线上的电流成分很多，电压也很杂乱。

具体来说，地线阻抗分为两部分：电阻成分和电感成分，因此，阻抗表达式为

Z=R_AC+jωL

（1）电阻成分 电阻可分为直流电阻和交流电阻。对交流信号来说，由于趋肤效应（图5-27），电流会集中在导体表面，因此交流电阻比直流电阻大得多。

式中，r为导线半径（cm）。如果导体的截面不是圆形，则r=截面周长（cm）/2π。

（2）电感成分 任何一段导体都存在电感，这种电感称为内电感，以区分于通常所称的与环路面积有关的外电感。对于圆形截面导体，内电感（μH）为

式中，s为导体长度（m）；d为导体截面的直径（m）。对于金属条或板，内电感（μH）为

式中，s为导体长度（m）；W为导体宽度（m），是厚度的10倍以上。

若s/W＞4，则式（5-17）简化为

因此，信号线总阻抗为

Z=R_AC+jWL （5-19）

图5-27 趋肤效应

δ—趋肤深度 r—导体半径 u_r—磁导率 f—通过导体信号的频率 σ_t—电导率

表5-5所示为不同频率、不同直径时导线所对应的电感。

表5-5 不同频率、不同直径时导线所对应的电感

从表5-5可以看出：

1）高频时阻抗远大于低频时阻抗。例如，在10Hz条件下，l=1m、d=0.65cm的导线，感抗为517μH；而在50MHz的条件下，其感抗为356H。

2）低频时导体的阻抗与截面尺寸关系大，高频时关系小。从表中可以看出，同样长度的导线，低频时，由于截面的尺寸不同，阻抗相差很大，而高频时相差很小。这是因为，阻抗由电阻和感抗两部分组成，频率较低时，感抗很小，电阻起主导作用，电阻与导线的截面尺寸关系很大；频率较高时，感抗起主导作用，而导线的电感与导线的截面尺寸关系不大。比如10Hz条件下，l=1m、d=0.65cm的导线，感抗为517μH；l=1m、d=0.06cm的导线，感抗为52.9mH，两者相差将近100倍。而在50MHz的条件下，前者的感抗为356H，而后者的感抗为500H。两者的感抗相差不到2倍。

合理的信号接地系统由下面因素决定：电路类型、工作频率、系统尺寸及其他约束条件，如安全性等。没有一个接地系统能适合于所有的应用。

简单地说，信号地的接法有单点接地、多点接地、混合接地和隔离。

（1）单点接地 所有电路的地线接到公共地线的同一点称为单点接地，它可以划分成两类：串联单点接地和并联单点接地，如图5-28所示。(www.xing528.com)

图5-28 两种类型的单点接地连接

a）串联单点接地 b）并联单点接地

串联单点接地最大的优点就是简单，易于维护和修理，但不适用于高频，因为这种方法的接地线长度相对来说是较长的。当系统工作频率很高，以至于波长小到可与接地线长度相比拟（λ/4）时，这根接地线就好像一根天线，通过它可以向外辐射电磁波，影响周围电路和设备的工作。并且串联单点接地中，许多电路之间有公共阻抗，因此相互之间由公共阻抗耦合产生的干扰十分严重。

A点的电位是：V_A=（I₁+I₂+I₃）R₁ （5-20）

B点的电位是：V_B=（I₁+I₂+I₃）R₁+（I₂+I₃）R₂ （5-21）

C点的电位是：V_C=（I₁+I₂+I₃）R₁+（I₂+I₃）R₂+I₃R₃ （5-22）

从式（5-20）～式（5-22）中可以看出，A、B、C各点的电位是受电路工作电流影响的，随各电路的地线电流而变化，尤其是C点的电位，十分不稳定。因此，最敏感的电路要放在A点，这点电位是最稳定的。在大功率和小功率电路混合的系统中，切忌使用这种接地方式，因为大功率电路中的地线电流会影响小功率电路的正常工作。

并联单点接地长度可以很短（图5-28），不同电路的地电流之间没有交叉耦合，是低频中应用较广泛的接地方式。并联单点接地中任何一个电路只受该电路的地电流和其地线自身阻抗的影响，但是复杂的接地线使其不能在更大范围普及。

（2）多点接地 多点接地是指设备（或系统）中凡是需要接地的点都是直接接到离它最近的接地平面上（就近接地），这样做可以使接地线的长度最短，接地线上的电感也最小，从而克服了单点接地的缺点，可以应用于高频场合。在频率较高的系统中，通常接地线要控制在几毫米的范围内，但其缺点是维护很困难。因为任何接地点上的腐蚀、松动都会使接地系统出现高阻抗，从而使接地效果变差。另外，多点接地时容易产生公共阻抗耦合问题。

如图5-29所示，多点接地需要通过减小地线阻抗来解决，因此要想方设法减小信号地阻抗。由于趋肤效应，电流仅在导体表面流动，因此增加导体的厚度并不能减小导体的电阻，而在导体表面镀银能够降低导体的电阻。

选择单点接地还是多点接地应视具体情况而定，在正常情况下，当频率低于1MHz时，可采用单点接地方式；当频率在10MHz以上时，则多点接地方式比较合适；而频率在1～10MHz之间时，应视具体情况而定。

图5-29 多点接地

鉴于单点接地和多点接地各自的优缺点，人们想到了混合接地，即对高频系统选择多点接地（就近接地），其余各点都采用单点接地。

（3）混合接地 所谓混合接地，就是要求设计人员对系统各部分工作情况进行分析，只将那些需要就近接地的点直接接地，而其余各点都采用单点接地的办法。或将需要高频接地的点通过旁路电容与接地平面相连，如图5-30所示。

图5-30 混合接地系统

图5-30所示是一个工作在低频状态的系统，为了避免公共阻抗耦合，需要系统串联单点接地。但这个系统暴露在高频强电场中，因此屏蔽电缆需要双端接地（一端通过旁路电容接地）。对于电缆中传输的低频信号，系统是单点接地的，而对于电缆屏蔽层中感应的高频干扰信号，系统是多点接地的。接地电容的容量一般在10nF以下，这取决于需要接地的频率。需要注意的是，如果用高频电容做旁路接地，要注意电容本身可能与引线电感之间产生谐振。

以上三种常用接地方法中，使用时应当注意以下几点。

1）由于频率的关系，不论采用单点接地、多点接地还是混合接地，都应尽量缩短接地线，否则不但增加阻抗，同时还会产生辐射干扰。为避免无线效应，接地线的长度L<λ/20。

2）在低频电子线路中应规划不同的接地系统以配合不同的回路，如信号回路、屏蔽层、电源回路及机壳等。这些回路最后可接在一起以单点形式接地。

3）接地面应具有高传导性。

4）线路中的元件若产生瞬变电流，则该线路应具备单独的接地系统，或至少应具有单独回路，以免影响其他线路。

5）低能量信号接地应与其他接地隔离。

6）低频宜采用单点接地系统，高频应采用多点接地系统。

7）减少由共同导体所引入的干扰电压，尽量避免产生接地环路。

8）已接地的放大器接到未接地的电源，其输入导线的屏蔽层应接到放大器的接地点。如果未接地的放大器接到接地的电源，则输入导线的屏蔽层应于电源端接地。高增益放大器的屏蔽层应接到放大器的接地点。

9）如果信号线路两端接地，则所产生的接地环路易受磁场及地电位差的干扰。

图5-31 地环路

（4）隔离 无论是单点接地还是多点接地，信号往往会通过地形成地环路。地环路干扰是一种较常见的干扰现象，常常发生在较长电缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是存在地环路电流。如图5-31所示，两差模信号经地形成环路以后会产生共模信号（I₁，I₂），而后者所产生的辐射是很大的。由于地环路干扰是由地环路电流导致的，因此，当将一个设备的安全接地线断开时，干扰现象有时会消失，这是因为地线断开时，切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合。当干扰频率较高时，断开地线与否关系不大。

这种现象给人们以新的启发，如果将两个设备之间的连接回路断开，就可以有效地抑制共模电流的产生。因此，人们想到了采用隔离的方法连接两个设备。采用隔离的目的是将设备或电路与公共地或可能引起环流的公共导体隔离开来。

隔离的手段主要有隔离变压器和光耦合器。

（1）隔离变压器 隔离变压器是通过切断地环路来抑制其干扰的，它是最常用的电隔离部件。两个设备之间的信号传输通过磁场耦合进行，而避免了电气直接连接。这时地线上的干扰电压出现在变压器的初次级之间，而不是电路的输入端，这样地环路便被阻隔。但是由于在变压器的绕组之间存在分布电容，需在变压器之间加以屏蔽，从而保证地环路干扰的有效阻隔。

隔离变压器存在体积大、成本高等缺点，而且由于变压器的初、次级绕组之间有寄生电容，因此高频的隔离效果不是很好。

（2）光耦合器 切断两电路之间地环路的另一种方法是采用光电耦合电路。这种电路通过光的传输进行隔离，光耦合器的分布电容一般在10^-2μF甚至更小的数量级，它的等效阻抗非常大，能够在很高的频率起到隔离作用。

隔离的最大优点是抗干扰性能好。隔离的主要缺点是设备不与公共地直接连接，容易产生静电积累，当电荷积累到一定程度，会由于设备与公共地之间的电位差引起强烈的静电放电，成为破坏性很强的骚扰源。作为折中方法，可在采用隔离的设备与公共地之间接一个阻值较大的电阻，用来泄放掉所积累的电荷。